生物質(zhì)多孔碳材料的電化學(xué)及其氣體吸附性能研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染成為制約人類發(fā)展的兩大問(wèn)題，因而尋求和發(fā)展清潔高效的可再生替代能源顯得尤為迫切，要解決這一問(wèn)題，需要加大對(duì)高效能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化的材料和器件的研究。超級(jí)電容器因具有可以在大電流下進(jìn)行充放電、充放電時(shí)間短、功率密度較高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，克服了電池功率密度較低，循環(huán)壽命短和燃料電池的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。超級(jí)電容器的性能在很大程度上取決于電極材料，碳材料因具有成本低廉、來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，而備受青睞。
　　生物質(zhì)因具有來(lái)

2、源廣泛、分布范圍廣、環(huán)境友好以及可再生等特點(diǎn)，被用于制備多孔碳材料，生物質(zhì)導(dǎo)出的多孔碳因其較高的比表面積、合適的孔徑分布以及自帶的雜原子摻雜等使得其成為制備電容器電極材料的選擇。
　　本文的主要工作如下:
　　(1)以來(lái)源廣泛、成本低廉、雜原子豐富的生物質(zhì)楊木屑作為前驅(qū)體，以KOH為活化劑，氬氣作為保護(hù)氣體，采用一步碳化活化的方法在高溫下進(jìn)行熱解，合成出了楊木屑導(dǎo)出的高性能的多孔碳用作電極材料。探究了碳化溫度(T=650，7

3、00，750，800℃)對(duì)多孔碳材料結(jié)構(gòu)形貌、石墨化程度、含氮量、孔徑分布等的影響。
　　(2)測(cè)試了四種楊木屑導(dǎo)出的氮摻雜多孔碳材料的電容性能，通過(guò)在雙電極和三電極體系下，不同電解液中（酸性、堿性和中性）的電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果顯示，在750℃下制備的NPC-750具有高達(dá)2149m2·g-1的BET比表面積，0.97cm3·g-1的孔體積以及包含中微孔的等級(jí)孔結(jié)構(gòu)，較高的石墨化程度(IG/ID=1.39)和氮含量尤其是石墨氮含量，為

4、其優(yōu)異的電容性能提供了可能。NPC-750具有高達(dá)362F·g-1的比電容，76％的電容留率，以及10000次循環(huán)之后，高達(dá)92.2％電容保留率和99％的庫(kù)倫效率。
　　(3)為進(jìn)一步提高碳基材料的電容性能，尤其是以能量密度為代表的實(shí)際應(yīng)用性能，在氮摻雜多孔碳NPC-750的基礎(chǔ)上，通過(guò)原位聚合的方法，合成了氮摻雜多孔碳和聚苯胺的二元復(fù)合材料(NPC/PANI)，通過(guò)調(diào)控二者的復(fù)合比例獲得了最佳的復(fù)合比例。對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)

5、復(fù)合材料的電容保留率由76％提高到了89.9％，雙電極下有比原來(lái)的0-1V更寬的電壓測(cè)試窗口0-1.4V，最大能量密度由5.66提升到了15.45Wh·kg-1提高了1.73倍。二元復(fù)合材料優(yōu)異的電化學(xué)性能主要?dú)w因于雙電層電容法拉第贗電容之間組合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。
　　(4)測(cè)試了NPCs材料對(duì)二氧化碳的吸附性能，測(cè)試結(jié)果表明，NPC-750對(duì)CO2的吸附量最大，1bar條件下0℃下可以達(dá)到4.21mmol·g-1，與相關(guān)報(bào)道中的吸